對於蘇聯的反攻計劃，德軍方面是毫無察覺，雖然因爲一些由友好的盟友中國人提供的一些適合攻堅的便攜式武器，比原本歷史上的處境有了不小的改觀，但是總體上來說德軍的戰略態勢非常的不樂觀，戰線拉得太長，相對與德軍蘇聯倒是因禍得福，因爲展現縮短使得兵力能夠集中，暫時度過了最爲艱難的時候。
在德軍毫無察覺的情況下，1942年11月19日，蘇聯紅軍開始實施天王星行動。圖瓦京的西南方面軍和羅科索夫斯基的頓河的方面軍在紛飛的大雪中發起了反攻，瓦杜丁中將指揮的主攻部隊包括整整3個集團軍（近衛第1集團軍，第5坦克集團軍和第21集團軍），一共由18個步兵師，8個坦克旅，2個摩托旅，6個騎兵師和1個反坦克旅組成，並得到空軍第2，第17集團軍支援。負責防衛德軍第6集團軍側翼安全的羅馬尼亞第3集團軍，由於在數量上處於絕對劣勢並且缺乏精良裝備，雖然羅馬尼亞人的戰鬥精神令人欽佩，最起碼比他們的鄰居意大利人要好很多。但是絕對的劣勢使得僅僅在戰鬥發起一天之內羅馬利亞第3集團軍的陣地便被蘇軍突破。
頓河方面軍實施兩個輔助突擊，以第65集團軍從克列茨卡亞以東地區向東南突擊，以第24集團軍從卡恰林斯卡亞地區沿頓河左岸向韋爾佳奇方向向南突擊，割裂頓河小彎曲部德軍與斯大林格勒德軍的聯繫。第66集團軍在斯大林格勒以北地區原地防禦。在發起進攻之時，頓河方面軍得到空軍第16集團軍支援。
11月20日，葉廖緬科的斯大林格勒方面軍第51、57、64集團軍也在南部轉入反攻，突破了防衛該地區的羅馬利亞第4集團軍的防線，主要由騎兵組成的羅馬尼亞人在力量絕對懸殊的情況再次毫無疑問的被蘇聯軍隊迅速被殲滅。此後蘇軍迅速向北直趨卡拉奇。22日，西南方面軍開始分批渡過頓河。23日，西南方面軍和斯大林格勒方面軍在卡拉奇會師，從而完成了對斯大林格勒的包圍。至30日，蘇軍3個方面軍將德第6集團軍的5個軍22個師，羅馬尼亞和意大利部隊以及部分克羅地亞軍隊共約27萬人合圍在斯大林格勒1500平方公里的地域內，第6集團軍只有約5萬人的部隊被分割在包圍圈之外。
蘇聯的突然反攻讓德國方面大爲吃驚，出現了短暫的混亂，但是最終嚴謹的德國總參謀部還是迅速了拿出了應對措施。當德軍最高統帥部接到蘇軍發起反攻的消息後，陸軍總參謀長蔡茨勒將軍力勸希特勒下令保盧斯撤出斯大林格勒。
然而，空軍司令戈林元帥卻向希特勒保證說，他可以保證空軍有能力通過“空中橋樑”爲第6集團軍的空中補給，就像上次偉大的戈林元帥向希特勒保證它能靠空軍攻佔敦刻爾克，政府英國一樣。事實證明德國空軍根本沒有提供如此大規模部隊的供給的運輸能力，其每天300噸的運輸上限也無法滿足每天700噸的需求。但希特勒並非不知道，可是爲了他的榮譽不會敗在卑劣的斯拉夫人手下，他仍然支持戈林的計劃，希特勒遂下令保盧斯堅守陣地，第6集團軍必須留在斯大林格勒，並命令他這個集團軍今後改稱“斯大林堡壘”集團軍。由於惡劣天氣和蘇軍防空火力，空投計劃很快就遭受失敗。據統計，德軍只得到10%左右的所需物資，第6集團軍漸漸感受到在北方處於德軍包圍下的列寧格勒的守軍和居民的那種飢餓的威脅。另一面，蘇軍在不斷加強對斯大林格勒的包圍圈，並開始縮小包圍圈的行動。
11月21日，爲了挽救第六集團軍和即將可能的失敗，希特勒下令將曼施泰因元帥的第11集團軍擴建爲頓河集團軍羣，由曼施泰因元帥任司令，並把保盧斯第6集團軍、霍特第4裝甲集團軍和羅馬利亞第3、第4集團軍交與他指揮。希特勒在命令中指示：“頓河集團軍羣當前的任務，就是使敵軍的攻勢停頓，並奪回原已失去的陣地。”曼施泰因認爲，德軍唯一成功的機會在於第6集團軍從斯大林格勒向西南突圍，霍特第4裝甲集團軍則從斯大林格勒以南的科捷爾尼科沃向東北進攻，夾擊葉廖緬科的斯大林格勒方面軍，然後再旋轉過來攻擊圖瓦京的西南方面軍的右翼。但是這個理性的建議再次遭到了固執甚至有些神經的希特勒的拒絕，11月30日，希特勒在一次公開演說中表示決不會從斯大林格勒撤退，並且再次強調被圍困的部隊決不能投降，而曼施泰因必須殺開一條血路，打到斯大林格勒。
在希特勒的強硬的要求下，萬般無奈之下曼施泰因元帥懷着沉重的心情，在12月12日，發起了代號爲“冬季風暴”的反攻。德軍以霍特第4裝甲集團軍爲先導，於12月16日突破了蘇軍第51集團軍在阿克賽河上的防線。至12月19日，第4裝甲集團軍所屬的第57裝甲軍已突進到離南面包圍圈30英里以內的地方。此時，曼施泰因發現自己也有被數倍於己的蘇軍包圍的危險。於是，他決定不顧希特勒的將令，來一次將在外君命有所不受。下令保盧斯立即向南突圍與第4裝甲集團軍會合。然而保盧斯這個在剛開始進攻斯大林格勒時試圖獨自搶功失敗的將領，這個時候還在打着自己的小算盤，以自己在沒有接到希特勒的直接命令之前，沒有突圍的意圖，不過他當然不能這樣說，他以燃料不足爲由拒絕了曼施泰因的命令，放棄了這最後一次機會。
12月27日，蘇軍發動強大反擊將霍特第4裝甲集團軍擊退150～200公里，終於使其退回了原來的陣地，迫使德軍統帥部最後放棄解救被圍集團的企圖。曼施泰因的“冬季風暴”宣告失敗。 當時溫度已降到零下45攝氏度。伏爾加河面的冰層逐漸變厚，因此在沒有德國軍隊的地面和空中威脅的情況下，蘇軍可以更加便利地補給己方部隊。而包圍圈中的德第6集團軍的空運補給越來越少，平均每天不到100噸。德第6集團軍瀕於彈盡糧絕的境地。口糧的分配已減到了能夠維持生活的標準之下；炮兵的彈藥開始感到缺乏；醫藥品和燃料都已經用盡；數千人患上傷寒和痢疾，而凍傷的人就更多，每天都有數千名士兵死於飢餓、嚴寒和營養失調。
在這種情況下，一些軍官試圖說服保盧斯不顧希特勒的命令而迅速突圍。但是謹慎保盧斯害怕背上違抗軍令的罪名，從而丟掉自己的烏紗帽，再加上作爲統帥他的給養一向充足，友因爲嚴寒和蘇聯的打擊而窩在自己的地下掩體內“運籌帷幄”。使得他對前線士兵的慘狀瞭解不多，或者說是不想多瞭解，因此堅持按兵不動。12月29日，在手下軍官們的強烈要求下，保盧斯派第14軍軍長鬍比中將飛出包圍圈去晉見希特勒，把第6集團軍的情況當面向元首彙報。這個時候希特勒的口氣已經鬆動，慘痛的現實讓希特勒感覺到自己的第六集團軍這次可能真的危險了。但強雷的自尊讓希特勒還是命令第6集團軍死守斯大林格勒，直到明年春天爲止。同日，由於蔡茨勒的一再要求，希特勒終於同意把a集團軍羣從高加索撤出。
1943年1月，蘇聯紅軍發起了又一輪攻勢，代號爲“木星行動”，試圖突破頓河地區的意大利軍防線，並攻取羅斯托夫。如果這次行動成功，德軍南部集團軍的餘部將被完全圍困在高加索地區。不過在嚴寒之下，一項有面條軍隊之城的意大利軍隊總算沒有在戰場上烤火，而是選擇了抵抗。不過在意大利若抵抗的口號中可以看出他們不是爲了軍人的榮譽。因爲在漂亮的反擊戰中意大利喊出的是：“不去西伯利亞勞改營，一切爲了活命！”
斯大林大清洗的威力和糟糕的俘虜待遇在這一刻顯現除了巨大的威力就是一項逢戰必敗的意大利人都前所未有的神勇了。相對於他們在北非軍隊的糟糕表現，諸如自己的軍隊把自家的元帥從空中揍了下來，並當成戰功報上取得黑色戰場幽默。以爲在戰爭來臨之前突然感到飢俄而被英軍一槍不發全體俘虜的糗事。在蘇聯的意大利軍隊算是超常規發揮了。這樣發揮的結果就是蘇軍始終未能接近羅斯托夫，這算是戰場上的一個亮點，卻是由意大利創造的。不過這次行動還是迫使德軍與斯大林格勒包圍圈內的德軍相隔250公里以上的距離。在事實上，第6集團軍已經完全失去了增援。